МОНИТОРИНГ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ ЮЖНОГО ПРИАРАЛЬЯ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты проведения гидроэкологического мониторинга водных объектов Приаралья, где наряду с определением минерализации и главных ионов включены показатели содержания биогенных элементов в поверхностных водах. Проанализированы продукционные – деструкционные процессы в рассматриваемых водных объектах. Для оз. Дауткуль, питающегося в основном коллекторно-дренажной водой, наибольшее аккумулирование биогенных элементов наблюдается в осенний период. Максимальное разрушение органического вещества отмечено в оз. Дауткуль (3,2 г с/м2), питающимся сбросами ирригационной сети. Отношение первичной продукции к деструкции органического вещества тесно связано с характером питания водоемов.

ABSTRACT

The article presents the results of hydroecological monitoring of water bodies in the Aral Sea region, where along with the determination of mineralization and main ions, indicators of the content of biogenic elements in surface waters are included. Analyzed production - destruction processes in the considered water bodies. For Lake Dautkul, which feeds mainly on collector-drainage water, the greatest accumulation of nutrients is observed in the autumn period. The maximum destruction of organic matter was noted in the lake. Dautkul (3.2 g / m2), fed by waste from the irrigation network. The ratio of primary production to the destruction of organic matter is closely related to the nature of the feeding of water bodies.

Ключевые слова: Южное Приаралье, низовья Амударьи, водная экосистема, антропогенный фактор, биогенные элементы, водные объекты, загрязнение воды, сток, взвешенные вещества, водные массы.

Keywords: Southern Aral region, liwer reaches of Amudarya, aquatic ecosistem, antropogenic factor, biogenic elements, water bodies, water pollution, runoff, suspended solids, water masses.

Введение. В настоящее время основным фактором активного загрязнения природной среды Республики Каракалпакстан является интенсификация сельского хозяйства, основными направлениями которой является химизация отраслей растениеводства и мелиорации земель. Многочисленные исследования, проведенные учеными, позволили установить, что основным источником поступления биогенных элементов в водные объекты является коллекторно-дренажный сток с орошаемых сельскохозяйственных полей [6, 3, 8 и др.].

Перевод сельского хозяйства Республики Каракалпакстан на индустриальную основу связан с максимальным применением минеральных удобрений и химических средств защиты растений. Только в 1997 г. объемы применения минеральных удобрений достигли 124,5 тыс. т., из которых 66,3 тыс. т. – азотные; 38,2 тыс. т. – фосфорные; 20,0 тыс. т. – калийные основная часть минеральных удобрений вносится под хлопчатник (80,8 тыс. т.) и рис (43,0 тыс. т.).

Интенсивная химизация сельского хозяйства оказала негативное влияние на качество водных ресурсов Республики. Как уже было отмечено, основным источником поступления удобрений в поверхностные воды является коллекторно-дренажный сток с орошаемых территорий. Так, по проведенным исследованиям, концентрация  в коллекторно-дренажных водах, за счет вымывания удобрений достигает 10мг/л и более, что в десятки и даже сотни раз превышает фоновые значения [1].

Под экологическим мониторингом в данной статье мы понимаем информационную систему наблюдений за качеством поверхностных вод, которое оценивалось с точки зрения по влиянию на состояние гидробионтов и здоровье человека. При этом по полученным материалам производилась оценка изменения качества воды в связи с антропогенным влиянием и его прогноз по необходимости. Еще в 1974 г., были заложены основы Глобальной системы мониторинга состояния окружающей среды (ГСМОС), в создании этой системы принимало и принимает участие все мировое сообщество.

Источником образования органических веществ в водоеме является фотосинтетическая деятельность зеленых растительных организмов, в частности фитопланктона. При этом процессе, который создает органическое вещество из минерального и является основой жизни на Земле, как известно, поглощается углекислота и выделяется кислород. Органические вещества, находящиеся в водоеме, могут входить в состав живых организмов или являться продуктом их распада. Поступающие в водоемы в процессе стока органические вещества состоят главным образом из гуминовых соединений, вымываемых водами из почв. Как поступившие в водоемы, так и образовавшиеся в них органические вещества подвергаются в дальнейшем распаду главным образом под воздействием бактерий, которые превращают сложные органические вещества в простые, неорганические. Выделяющаяся при этом энергия служит источником их существования, а биогенные элементы, высвободившиеся в процессе распада органических веществ, вновь включаются в общий круговорот питательных веществ [2].

Количество органических веществ в озерах, естественно, испытывает значительные колебания по сезонам. Наибольшее количество их наблюдается в озерах при массовом отмирании планктона после цветения.

Как отмечают исследователи, природная вода является негомогенной средой из-за присутствия в ней взвешенных частиц: микроколлоидных (диаметр частиц 0,003–0,01 мк); коллоидных (диаметр 0,01–1 мк) и седиментарных (оседающих) частиц размерами 1–3 мк, а также микропузырьков газа. Седиментарные частицы, как правило, представляют собой органо-минеральный комплекс. В качестве зародышей образования взвешенных веществ в природных водах чаще всего выступают частицы SiO2 и CaCO3 [2].

В Государственных программах было выделено семь приоритетных аспектов загрязнения, имеющих глобальную, континентальную и субконтинентальную значимость, среди которых имеется такой аспект, как эвтрофикация поверхностных вод в результате локального и глобального привнесения биогенных веществ и органики.

Материал и методы. При осуществлении гидроэкологического мониторинга на данной территориинаряду с определением минерализации и главных ионов предлагается включить определение в поверхностных водах содержания биогенных элементов. Это позволит проанализировать продукционные – деструкционные процессы в рассматриваемых объектах.

Нами были исследованы азот в виде иона аммония ‒  нитрат – ионов ‒  и нитрит – ионов ‒ ; фосфор в виде ‒ .Также были определены показатели, характеризующие содержание органического веществ в воде – по биохимическому потреблению кислорода за пять суток (БПК_s), перманганатной окисляемости – (ПО), содержание растворенного кислорода – О₂ и отношение продукции (А) к деструкции (Д) – А/Д.

Существующий мониторинг за качеством поверхностных вод низовьев Амударьи производится в специфических условиях, к которым можно отнести следующее:

• происходит общее опустынивание территории, которое проявляется в изменении гидрографической сети и существующих водоемов, а также в общем обмелении р.Амударьи и оросительных каналов;
• наблюдается значительное повышение минерализации воды р.Амударьи по сравнению с верхним течением, что приводит к значительному поступлению легкорастворимых солей на орошаемые поля и засолению поливных угодий;
• рост минерализации речной воды, а также ухудшение ее химического состава, заметно проявляется на качестве питьевой воды, при использовании которой ухудшается здоровье местного населения.

Нами также использованы данные мониторинга с 2018 по 2020 гг. во все сезоны года в водных экосистемах Южного Приаралья. Гидрохимический анализ воды проводился в лаборатории экологии микроорганизмов и лаборатории гидрохимии и гидробиологии Каракалпакского научно-исследовательского института естественных наук ККО АН РУз по общепринятой методике, описанной у Н.С.Строганова, Н.С.Бузиновой [7], Ю.Ю.Лурье [4], Ю.В.Новикова [5], а также в Руководстве по химическому анализу поверхностных вод суши (1977). Нами использованы также нормативные и методические документы: Республиканский стандарт ГоСТУз 950: 2000 «Вода питьевая», СанПиН РУз №0067-96 «Гигиенические критерии качества питьевой воды».

Результаты и обсуждение. В последние годы из – за резкого увеличения сброса азота и фосфора в водоемы, а также в результате зарегулирования стока рек возникли своеобразные нарушения гидрохимического режима водоемов. Увеличилось образование органического вещества при интенсивном развитии фитопланктона и, таким образом, повысилась трофность водоемов. Исходя из этого, нами были обобщены результаты по режиму биогенных элементов в рассматриваемых озерах, изменение их содержания по глубине водоемов, дана характеристика содержания этих веществ в данных отложениях, показан режим растворенного кислорода, а также рассчитаны величины различных экологических индексов качества воды. Полученные данные о сезонной и многолетней динамике содержания биогенных элементов в изучаемых водоемах (оз. Междуречье, Дауткуль, Жылтырбас) за 2018‒2020 гг. приведены в табл. 1.

Рассматривая биогенные элементы в лимнических экосистемах в сезонном аспекте и их влияние на характер внутриводоемных процессов, можно отметить, что для оз.Дауткуль, питающегося в основном коллекторно-дренажной водой, наибольшее аккумулирование биогенных элементов наблюдается в осенний период. Так, содержание фосфора (РО₄) составило 0,292 мг/л, NH₄ ‒ 1,232 и NO₃ ‒ 3,34 мг/л.

Таблица 1.

Сезонная динамика биолимнологических показателей водоемов Приаралья

Содержание отдельных форм азота в водоемах сильно меняется по сезонам года и зависит от развития планктона и соотношения интенсивности внутриводоемных биохимических процессов, регулирующих превращение азота. Было также выявлено, что содержание биогенных элементов зависит от источника питания водоемов: в озерах, питающихся речным стоком содержание биогенных элементов меньше, чем в озерах, питающихся коллекторно-дренажным стоком.

Изменения содержания биогенных элементов по глубине водоемов, в основном изучалось на озере Междуречье, Дауткуль, Жылтырбас. Пробы воды отбирались в разных глубинах, с интервалом (в см): 0‒30; 50‒70; 80‒110; 140‒160 и у дна водоема. Выявлено, что с увеличением глубины воды содержание фосфора и аммонийного азота возрастает, содержание нитратного азота в поверхностном горизонте (0-70 см) больше, чем в нижнем горизонте.

Рисунок 1. Динамика содержания биогенных элементов в водной толще оз. Дауткуль

Рисунок 2. Динамика содержания биогенных элементов в донных отложениях оз. Дауткуль

Как мы видим, содержание нитритного азота больше в средних горизонтах. Выявлено, что в озерах, питающихся коллекторно-дренажным стоком, содержание биогенных элементов в донных отложениях выше, чем в озерах, питающихся речной водой. Так, например, содержание  ‒  ‒ в оз. Дауткуль доходит до 24,2 мг/кг, в оз. Междуречье – 16,7 мг/кг. Во всех рассматриваемых водоемах был изучен режим растворенного кислорода – О₂ мгО₂/л. Получено, что во всех водоемах наблюдается оптимальное содержание кислорода (5,5-13,2 мг О₂/л). В весеннее и осеннее время из-за смещения водных масс под влиянием ветра содержание растворенного кислорода достигает максимальных величин до 14 мг О₂/л. Зимой, подо льдом наблюдается минимальное содержание кислорода. Это особенно четко наблюдается в оз. Междуречье. Величины первичной продукции и деструкции, обладают высокой динамичностью, зависят от внутриводоемных процессов многих других факторов. Справедливость этого положения хорошо иллюстрируется проводимыми нами исследованиями на водоемах различной трофности (табл. 2).

Таблица 2.

Сравнительная характеристика степени эвтрофирования водоемов Приаралья

Примечание: * данные О.В.Бабаназаровой (1982), данные К.М. Атаназарова (1995), наши данные

Как показали исследования, интенсивность продуцирования органического вещества в разнотипных водоемах довольно велика и колеблется от 0,7 до 4,2 г с/м². максимальные величины отмечены для озер, питающихся исключительно коллекторно–дренажной водой (оз. Дауткуль – 4,2 г с/м²). В оз. Междуречье уровень продуцирования органического вещества различен, несмотря на одинаковый источник питания: имеет неодинаковую прозрачность. Деструкция органического вещества протекает с различной интенсивностью (от 3,2 до 1,1 г с/м). Но в общем величины ее довольно значительны, особенно если учесть, что деструкция идет по всей толще озер. Максимальное разрушение органического вещества отмечено в оз. Дауткуль (3,2 г с/м²), питающимся сбросами ирригационной сети. Отношение первичной продукции к деструкции органического вещества тесно увязывается с характером питания водоемов. В оз. Дауткуль поступает избыток биогенных элементов с коллекторно-дренажными водами, поэтому продуценты первичной продукции хорошо обеспечены ими и соотношение А/Д >1.

Исследования разнотипных водоемов, проведенные в ряде лет показали, что по таким показателям, как устойчивость кислородного режима и его дефицит, имеются значительные колебания: как суточные, так и сезонные. Весьма существенное различие в содержании кислорода в трофогенномслое и придонных слоях. По повышенному содержанию биогенных элементов в водной массе можно судить о сильно выраженном антропогенном воздействии на водоемы. Накопления биогенных элементов, поступающих в водные экосистемы с сельскохозяйственным стоком, способствуют аккумуляции биогенных элементов, что приводит к формированию определенного режима, присущего эвтрофным озерам.

Оценка качества озерных вод по индексу самоочищения позволяет утверждать, что в водоемах идут активно деструкционные процессы, несмотря на значительную биогенную нагрузку. Во многих озерах невысокие значения А/Д >1 свидетельствуют об интенсивности процессов самоочищения. Однако отмечены и полярные варианты А/Д=1 (оз.Междуречье), где идет накопление органического вещества и происходит ухудшение качества вод и А/Д >1 (заливы Муйнак и Сарыбас), где система справляется с самоочищением.

Результаты исследований показывают, что во всех изученных водных объектах содержание биогенных элементов по сравнению с фоновым периодом (1950-1955 гг.) заметно увеличилось. Во всех изученных водотоках доминирующей формой азотных соединений являются нитрат ионы. В заметных количествах присутствовали также аммонийный азот и минеральный фосфор. Высокое содержание азота нитратов свойственно поверхностному стоку водосбросов, освоенных в сельскохозяйственном отношении, и является, результатом антропогенного воздействие на водные экосистемы региона.

Основным водоемом по своей важности, перспективности и приоритетности среди является Междуреченское водохранилище, которое требует подачи воды в течение всего года и в нужные сроки. Режим остальных пресноводных озер, таких как Рыбачье, Муйнак в основном зависит от режима Междуреченского водохранилища. Что же касается остальных соленых озер, таких как Судочье, Жылтырбас, Каратерень и ряда других мелководных, то они в основном зависят от подачи коллекторного стока. В табл. 3 приведены основные характеристики дельтовых озер, их очередность и необходимость подачи воды.

Таблица 3.

Основные характеристики водохранилищ и очередность подачи воды

Поддерживание такого порядка и последовательности наполнения водохранилищ дает возможность экономного и рационального использования имеющихся водных ресурсов.

Список литературы:

1. Атаназаров К.М. Экологическая роль биогенных элементов поверхностных вод низовьев Амударьи в условиях антропогенного пресса: Автореф. дисс. ... канд. биол. наук. ‒ Ташкент, 1999. ‒ 23 с.
2. Гришина, Е.Н. Основы химии окружающей среды. Ч. 2. Химические процессы в гидросфере – Владимир: Изд-во Влад.гос. ун-та, 2009. – 60 с.
3. Константинова Л.Г. Антропогенная эвтрофикация поверхностных вод низовьев Амударьи // Биологические ресурсы Приаралья. – Ташкент: ФАН, 1986. – С.61-90.
4. Лурье Ю.Ю. Практикум по гидрохимическому анализу питьевых вод. ‒ М. ‒ 1984. – 120 с.
5. Новиков Ю.В. и др. Методы исследования качества воды. М. ‒ Медиздат. ‒ 1990. ‒ 340 с.
6. Россолимо Л.Л. Антропогенноеэвтрофирование водоемов // Общая экология. Гидробиология. – 1975. ‒ Т.2. ‒ С.8-60.
7. Строганов Н.С., Бузинова Н.С. Практическое руководство по гидрохимии. - М.: Изд. Моск. ун-та, 1980. ‒ 196 с.
8. Чембарисов Э.И. Бассейновая оценка экологического состояния территории Узбекистана // Водные ресурсы, проблема Арала и окружающая среда. – Ташкент: Университет, 2000. ‒ С. 285‒296.